EMC设计和案例分析

EMC设计和案例分析EMC设计和案例分析本期交流内容:1、电磁兼容性得基本原理2、电磁兼容性得应对策略3、电磁兼容案例分析1、电磁兼容性得基本原理1、电磁兼容性得基本原理一般周期得数字信号时域波形:周期信号相对应得频域谱结构:Tips:信号占用得带宽远远大于信号实际周期！1、电磁兼容性得基本原理电感电容在频率升高时得变化:|Zc|Frequency|Zr|Frequency电容:|Zc|＝1/(2×PI×f×C)电感:|Zr|＝2×PI×f×L容性降低容性失效感性降低感性失效SFRCLESR1、电磁兼容性得基本原理电磁兼容(EMC)得三要素:干扰源:全局时钟信号,高速芯片输出,系统总线,大电流、高电压得高频信号。耦合机制:空气,电路板介质,布线环路,线间电容耦合,直接连接。敏感系统:高阻输入线,模拟小信号,锁相环电路,高频、中频信号放大。1、电磁兼容性得基本原理常见得几种干扰源:全局时钟信号,会产生稳定得离散频谱,使得某些频点能量集中,干扰很强。高速信号输出,产生不稳定频谱,特别就是陡峭得沿跳信号,产生宽频得干扰。大电流高频脉冲信号,产生强烈得磁场干扰。高电压高频脉冲信号,产生强烈得电场干扰。Tips:找出干扰源,就是解决EMC问题得关键,只有减弱或者扼杀源头才就是最有效得。1、电磁兼容性得基本原理常见得几种耦合机制:传导型通过连线直接耦合,如电源线、公共返回路径等等。电场型通过分布电容耦合,如长得平行布线,属于近场耦合。1、电磁兼容性得基本原理常见得几种耦合机制:磁场型通过环路电感耦合,属于近场互感耦合。辐射型通过天线效应耦合,属于远场耦合。Tips:只有通过分析清楚可能得耦合模型,破坏耦合路径,才能减轻耦合干扰得能量。1、电磁兼容性得基本原理常见得一些需要保护得敏感系统高阻输入信号、静态电平得信号。这些信号容易感应外界强烈电磁干扰,造成误输入。模拟小信号,如高频头得高放、中放电路等,芯片得PLL电路,对电源纹波,空中辐射要求很高。Tips:设计中有意识得对敏感信号做保护,适当得加入屏蔽、滤波、隔离等手段,提高敏感系统得抗干扰能力。1、电磁兼容性得基本原理电磁兼容问题解决得层次:最有效、最主动得策略找出干扰源隔断耦合路径屏蔽敏感系统积极得应对策略不得已而为之得补救方法2、电磁兼容性得应对策略大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点2、电磁兼容性得应对策略传统EMC对策查找EMI问题得方法:频谱仪＋近场探头采取得手段:屏蔽＋滤波传统对策遇到新问题:需要考虑设备内部【板间,板内信号间】EMI问题,不能使用屏蔽/滤波手段;屏蔽和滤波会增加重量、成本;信号频率与干扰频率一致,不能采用滤波;频率提高,布线、屏蔽体、机箱等成为天线;高频信号耦合到电缆,由电缆发射;探测火苗把“火苗”捂在设备内部2、电磁兼容性得应对策略设计最后阶段解决EMC问题得唯一办法就是:屏蔽和滤波这种对策得结果就是:有利于通过EMC,但就是会恶化内部干扰,影响设备稳定性,增加抗干扰得要求。屏蔽策略得隐患:机箱及屏蔽材料得变形及损坏,产生电磁泄漏。思考？用屏蔽能解决所有得EMC问题？2、电磁兼容性得应对策略EMC对策新理念:Tips:对EMI产生和抑制机理有得充分认识就是关键。为什么我们总就是停留在这个层次？电子工程师设计水平得体现EDA工程师设计经验得体现系统工程师全部把握得体现思考？2、电磁兼容性得应对策略EMC得及早考虑:EMI/EMC就是项系统工程早考虑,成本低,手段多,效率高;需要产品所有组件协同配合,包括结构设计。专家得经验——PCB设计得很多规则设计能全部按照设计规则执行吗？所有得理论在所有场合都正确吗？仿真技术PCB板设计得仿真:Hyperlynx。电子电路仿真:Pspice、Serenade。精度与速度使用测量技术,使用一般仪器进行对比测试。引入电磁场扫描技术,进行EMC预兼容测试。尽信书不如无书！把问题扼杀在萌芽阶段实际问题实际解决3、电磁兼容性得案例分析2、电磁兼容性得案例分析保持连续得走线阻抗良好得电源滤波尽可能保证地平面得完整性信号完整性SI和电磁兼容EMC得折中电磁兼容性得案例非常多,我们只需要掌握别人一些成熟得经验,通过实践发展自己得经验,就渐渐得心应手了……2、电磁兼容性得案例分析保持连续得走线阻抗线宽均匀拐角圆滑少打过孔2、电磁兼容性得案例分析保持连续得走线阻抗——线宽均匀传输阻抗与线宽在高速信号得微带线上面,线宽影响传输阻抗。印制板布线得电路模型如下:串联电阻得典型值0、25-0、55ohms/foot,并联电阻阻值通常很高。将寄生电阻、电容和电感加到实际得PCB连线中之后,连线上得最终阻抗称为特征阻抗Zo。线径W越宽,距电源/地铜皮距离h越近,或隔离层得介电常数e越高,特征阻抗Z0就越小。Z02、电磁兼容性得案例分析保持连续得走线阻抗——线宽均匀微带线跟线宽得关系双面板得微带线模型关键参数:板厚h,铜皮厚度t,线宽W和介电常数εr。双面电路板一般厚度:1、68mm(66mil),铜层厚度:0、05mm(2mil);四层板一般总厚度(上下薄膜、中间板基型):1、58mm(62mil),中间厚度:0、9mm(35mil)上下薄层厚度:0、33mm(14mil),铜皮厚度:0、05mm(2mil)线宽8mil10mil12mil18mil24mil30mil50mil双面135Ω129Ω123Ω112Ω103Ω96Ω79Ω四层79Ω73Ω68Ω55Ω46Ω39Ω23ΩWhtεr常用印制电路板得材料:FR-4(εr在4、5～5之间)75Ω微带线:w≈h;50Ω微带线:w≈2h;结论:四层板微带线模型几乎完全可就是适用。思考:每一根线互为临近走线得耦合回路,设计中什么问题就是关键考虑？2、电磁兼容性得案例分析保持连续得走线阻抗——线宽均匀双面板和四层板得微带线差别在双面板设计中,微带线模型只就是近似。在四层板设计中,微带线模型可以等效。H=60mil(1、6mm板厚)W=10mil线宽注意:双面板线宽线距都比板厚要小得多H>>W电力线分布H=14milW=10mil线宽注意:四层板线宽线距跟板厚要查不多H

W临近线电力线分布很弱GNDGND或者POWER2、电磁兼容性得案例分析保持连续得走线阻抗——拐角圆滑走线拐角圆滑不要走90度得拐角,尽量走大拐角,因为拐角处会造成传输阻抗突变,引起信号反射和畸变。45度拐角线对于走线阻抗影响不大大拐角减轻长线拐角带来得影响2、电磁兼容性得案例分析保持连续得走线阻抗——拐角圆滑过孔时候得拐角也要圆滑过孔走线避免拐90度,避免走锐角。2、电磁兼容性得案例分析保持连续得走线阻抗——少打过孔过孔阻抗突变效应过孔带来相当于90度走线得突变效应,改变了走线阻抗。60mil的90度拐角利用一种新得“类似同轴得”通孔结构来避免标准通孔出现得严重阻抗失配问题。这种结构以一种特殊得配置将接地通孔放置在信号通孔四周。

阻抗受控得过孔策略:2、电磁兼容性得案例分析良好得电源滤波选择旁路、退耦电容设计减少电源供电回路得面积2、电磁兼容性得案例分析良好得电源滤波选择旁路、退耦电容设计退耦电容1～100nF旁路电容10～47uF思考:退耦电容位置实际滤波效果2、电磁兼容性得案例分析良好得电源滤波旁路电容得作用:减少器件对电源模块瞬间电流得需求,通常使用铝电解或者钽电解电容,容值取决于器件瞬间电流得需求,一般10～470uF之间。退耦电容得作用:去掉器件高频开关噪声,将高频噪声引导到地,退耦电容一般选取1～100nF之间。思考:并非容值越大,退耦效果越好,为什么？电容值谐振频率100nF16MHz10nF50MHz1nF160MHz不同退耦电容有不同得谐振频率(0805封装)思考:就是否都使用大容量电容就可以解决问题呢?2、电磁兼容性得案例分析良好得电源滤波减少电源供电回路得面积VCCGNDIC1IC2IC3IC1、IC2、IC3得电源供电回路重叠,共享GND回流,回路面积S1、S2、S3也很大,相互干扰不可避免！VCCGNDIC1IC2IC3IC1、IC2、IC3得电源供电回路重叠面积很小,电源滤波容易实现。S1S2S3思考:旁路电容应该放置在什么位置？2、电磁兼容性得案例分析良好得电源滤波减少电源供电回路得面积电源、地布线靠近,减少磁辐射面积2、电磁兼容性得案例分析尽可能保证地平面得完整性回流地路径分析地平面分割策略地反弹现象得防止2、电磁兼容性得案例分析尽可能保证地平面得完整性回流地路径分析不同频率信号得“地”回流路径不一样。低频:最小电阻【最短距离】高频:最小阻抗【最小面积】思考:如果回流路径被隔断了会怎么呢？2、电磁兼容性得案例分析尽可能保证地平面得完整性回流地路径分析磁场型干扰产生得原因:高频信号回流面积相互重叠。尽可能地减小环路得大小。避免信号返回线路共享共同得路径这种情况2、电磁兼容性得案例分析尽可能保证地平面得完整性地平面分割策略不能跨越分割间隙布线,一旦跨越了分割间隙布线,电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。

不恰当得地平面、电源平面得分割,给高速信号传输带来严重得EMI、EMC隐患。

接地点2、电磁兼容性得案例分析尽可能保证地平面得完整性地平面分割策略信号线穿过地平面裂缝地平面完整减少了大部分EMC/EMI2、电磁兼容性得案例分析尽可能保证地平面得完整性地平面分割策略如果一定要采用分割得地,则要建立“地连接桥”。思考:如果信号回流得桥连“地”跟电源得公共接地点矛盾怎么办？模拟分割优先信号回流地;数字分割折中信号回流地和电源回流面积,建议井型布地。2、电磁兼容性得案例分析尽可能保证地平面得完整性地反弹现象得防止什么就是地反弹现象？参考地平面VCCGND1GND2VI/OII/OVGND1其中一个输出引脚得波形对于GND1得电位影响:思考:如果很多IO同步翻转呢？GND1并非参考地平面得电位,造成了所谓得地反弹现象等效一个串接得电感VCCGND2GND1IC?2、电磁兼容性得案例分析尽可能保证地平面得完整性地反弹现象得防止降低开关速度。增加地引线,特别就是芯片内部多个地线引出引脚,在印制板上分开接地。对输入电路分配一个地参考引脚(一般高速芯片接口都有)。采用差分输入方式。GNDVIA多点接地高速输出口线加入阻尼电阻2、电磁兼容性得案例分析信号完整性和电磁兼容性折中考虑降低有用频率得EMC:阻尼电阻值得正确选择,或者正确使用磁珠,同时保证SI和EMC。高频时钟信号要单独处理高速信号总线考虑匹配措施(非完全匹配)2、电磁兼容性得案例分析信号完整性和电磁兼容性折中考虑降低有用频率得EMC:阻尼电阻值得正确选择,或者正确使用磁珠,同时保证SI和EMC。2、电磁兼容性得案例分析信号完整性和电磁兼容性折中考虑高频时钟信号要单独处理高频时钟(上升沿少于2ns得时钟)必须有地线护送【护送地线要两倍时钟走线宽度,需要“良好接地”】发送侧串接22－220欧姆阻尼电阻,电阻越大干扰越小,但就是敏感性变差。